考虑转捩的风力机涡流发生器研究

报告人：李涛

导师：赵振宙河海大学能源与电气学院日期：2014.11.11考虑转捩的风力机涡流发生器研究NumericalSimulationofWindTurbineVortexGeneratorsWithTransitionModeling目录4结论3结果及分析2计算模型1研究背景2000年美国可再生能源实验室（NREL）开展了风力机非定常空气动力学系列实验。完成了1700多个有效工况的测试，并对风力机气动性能进行了“盲比”。NRELphasevi几何尺寸叶片长度：5.029m叶尖桨距角：3°叶根弦长：0.737m翼型：S8091背景介绍图1风力机设计尺寸图2NRELphasevi现场图图3风力机网格图4风力机力矩7m/s10m/s13m/s图5转捩模型计算的风力机极限流线图15m/s20m/s25m/s图5转捩模型计算的风力机极限流线图非设计工况运行的风力机叶片表面流动分离明显，叶片容易失速。转捩对NRELPhaseVI风力机叶片失速特性有重要影响。结论：涡流发生器（VortexGenerator,简称VGs）作为一种有效的流动控制方法之一，可以很好的改善翼型的气动特性，延迟气流分离，提高升阻比。来流VG图6

涡流发生器的工作机理VG翼尖涡强度相对较强。这种高能量的翼尖涡与其下游的低能量边界层流动混合后，把能量传递给边界层，使处于逆压梯度中的边界层流动获得附加能量后能够继续贴附在机体表面而不致分离。2数值计算模型2.1转捩模型

-Reθt转捩模型是由Menter等人提出，考虑了自然转捩、跨越转捩和分离流转捩等多种转捩机制。在k-ωSST湍流方程中加入间歇因子和动量厚度雷诺数的输运方程，构造了输运形式的四方程湍流模型用于转捩的预测。通过间歇因子对湍流动能方程产生项和耗散项的修正实现与k-ωSST湍流模型的耦合。2数值计算模型2.2涡流发生器、网格图7VGs的尺寸以及草图图8VGs布置在叶片的20%弦长处

DU91-W2-250;c=0.6m;L=0.175m；VGs=5对.2数值计算模型图9计算域内的网格图10翼型周围的网格整个计算域的网格数约为300万；网格结构：六面体；壁面y+=1.5。2.2涡流发生器、网格3结果及分析图11升力系数曲线3结果及分析图12升阻比曲线左图为攻角为14º时，全湍流结果显示叶片后缘开始发生气流分离，而转捩计算结果显示前缘层流存在分离泡，后缘基本没有气流分离。右图为攻角为14°时，叶片前缘间歇因子和流线分布图。图中流线分布进一步揭示了此处的转捩是由于转捩点前存在层流分离泡导致。一组涡流发生器内两组涡流发生器内攻角为18°采用全湍流模型计算的叶片分离区尺寸明显大于转捩模型的计算结果4结论(1)对比全湍流模型和转捩模型计算的升力系数和升阻比，全湍流模型模拟的升力值偏低阻力值偏高，升力系数最大误差为23.1%，升阻比系数最大误差达51.8%；转捩模型计算升力系数最大误差仅有7.9%，说明转捩模型能够更加准确预测风力机涡流发生器的气动特性。(2)涡流发生器使叶片表面具有明显的三维转捩现象。不同展向位置，转捩模型计算涡流发生器下游摩阻系数不同，摩阻系数越大，边界层能量充足，可以有效抑制边界层分离，一组涡流发生器的内部转捩更加明显，抑制气流分离更加有效，延迟叶片失速更加显著。(3)转捩和涡流发生器产生相似的作用，能够抑制边界层分离